微电子制造工艺概论ch4热氧化

1、微电子制造工艺概论,第4章 热氧化,本章主要内容,4.1 二氧化硅薄膜概述 4.2 硅的热氧化 4.3 初始氧化阶段及薄氧化层制备 4.4 热氧化过程中杂质的再分布 4.5 氧化层的质量及检测 4.6其它氧化方法,4.1二氧化硅薄膜概述,二氧化硅是微电子工艺中采用最多的介质薄膜。它具有硅的良好亲和性、稳定的物理化学性质、良好的可加工性以及对掺杂杂质的掩蔽能力。 二氧化硅薄膜的制备方法有： 热氧化 化学气相淀积 物理法淀积 阳极氧化等 热氧化是最常用的氧化方法，需要消耗硅衬底，是一种本征氧化法。,4.1.1二氧化硅结构,SiO2基本结构单元,二氧化硅基本单元为Si-O四面体网状结构； 中心硅原子，4个顶点为氧化子； 桥联氧原子：连接两个Si-O四面体的氧原子； 非桥联氧原子：只与一个四面体连接的氧原子；,石英晶体是结晶的二氧化硅，氧原子是桥联氧原子； 非晶态的二氧化硅的氧原子是非桥联氧原子，是长程无序结构；但在较小范围内有一定规则，即短程有序。 SiO2玻璃具有“长程无序、短程有序”结构，称为无定型体； 热氧化的SiO2是非晶态，是四面体网络状结构；,石英晶格结构,非晶态二氧化硅结构,4

2、.1.1二氧化硅结构,TEM照片单晶硅表面热氧化所得非晶二氧化硅薄膜 透射电子显微镜 （Transmission electron microscopy，缩写TEM ）,SiO2与Si之间完美的界面特性是成就硅时代的主要原因,4.1.1二氧化硅结构,SiO2,Si,4.1.2二氧化硅的理化性质及用途,密度：是SiO2致密程度的标志。密度大表示致密程度高，约22.2g/cm3； 熔点：石英晶体1732，而非晶态的SiO2无熔点，软化点1500； 电阻率：与制备方法及所含杂质有关，高温干氧可达1016cm，一般在1071015 cm； 介电特性：介电常数3.9； 介电强度：1001000V/m； 折射率：在1.331.37之间； 腐蚀性：只和HF酸反应，与强碱反应缓慢。,氧化膜的用途,SiO2对于杂质的掩蔽作用 由于杂质在SiO2及Si中的扩散速率不同，SiO2膜可以作为扩散的掩蔽层。如硼、磷、砷、碲等杂质在 SiO2中的扩散速度比在Si中慢。但铝、镓、铟在 SiO2中的扩散速度比在Si中快，不能选用SiO2作为掩膜层。 SiO2用作MOSFET的栅氧化电介质 SiO2膜的厚度和质量直接决

3、定着MOSFET的多个电学参数。,SiO2用于器件的电绝缘与隔离 SiO2具有很高的电阻率，是良好的绝缘体，所以：硅器件中作金属引线与薄膜下面元件之间的电绝缘层；大规模集成电路中多层布线间的绝缘层；集成电路中各元件之间的电隔离。 SiO2对器件表面的保护和钝化作用 SiO2层将硅片表面以及硅内器件与外界气氛隔离开来，提高了器件的稳定性和可靠性，并可保护硅片免受制作工艺中可能发生的划伤和损害。,4.1.2二氧化硅的理化性质及用途,0.8 nm栅氧化层,离子注入掩蔽,隔离工艺,互连层间绝缘介质,作为掩蔽膜,作为电隔离膜,元器件的组成部分,二氧化硅膜用途：,4.1.2二氧化硅的理化性质及用途,4.1.2二氧化硅的理化性质及用途,4.1.3二氧化硅薄膜中的杂质,替位式杂质：Si原子位置被杂质取代，III、V族元素，如B、P等。这类杂质离子半径与Si原子接近或小于Si原子半径，称为网络形成杂质。 B进入SiO2，形成硼硅玻璃BSG； P进入SiO2，形成磷硅玻璃PSG，PSG作为改进型的钝化膜广泛应用在半导体制造中； 间隙式杂质：具有较大离子半径的杂质进入SiO2只能占据网络中的间隙孔位置，成为

4、网络改变杂质。 Na、K、Ca、Ba、Pb等进入SiO2后将被电离，使网络中产生更多的非桥联氧离子，形成更多孔洞，使结构强度以及熔点降低。,4.1.4杂质在SiO2中的扩散,杂质SiO2中在扩散服从扩散规律，扩散系数为： DSiO2=D0exp(-E/kT) Do为表观扩散系数，E为杂质激活能； 实验表明，相同情况下，硼、磷等常用杂质在SiO2中的扩散速度远小于在硅中扩散速度，SiO2层对这些杂质起到“掩蔽”作用。 镓和钠等碱金属扩散在SiO2扩散速度快， SiO2层对这些杂质起不到“掩蔽”作用。Na离子即使在低温下也能迅速扩散到SiO2中，有可能造成器件性能不稳定，要防止钠离子沾污。,4.1.5二氧化硅的掩蔽作用,二氧化硅掩蔽杂质扩散的可能性,其中DSiO2和DSi分别为杂质在SiO2和Si中的扩散系数，扩散时间为t。,杂质在SiO2中的扩散深度为：,掩膜所需SiO2的厚度，与DSiO2/DSi和结深等因素有关。 理论上，只要氧化层厚度满足上式要求，就可以起到掩膜的作用，实际上，只有DSiO2DSi的杂质才有实用价值。否则，所需SIO2膜太厚，既难以制备又不利于光刻。,杂质在Si中的

5、扩散深度为：,设SiO2的厚度为xSiO2，欲具有掩膜作用，则要求：,杂质的扩散深度达到所要求结深时，杂质还没有穿透SiO2。得：,4.1.5二氧化硅的掩蔽作用,大部分的杂质（除Au外）DSi/DSiO2随着温度T升高而增加； SiO2能够掩蔽B、P的扩散，但不能掩蔽Ga的扩散； 虽然Au在SiO2中扩散系数小，但Au可沿着硅表面Si/SiO2界面扩散到硅中去，SiO2不能掩蔽Au的扩散。,SiO2掩蔽层厚度的确定 掩蔽条件: DSiDSiO2； SiO2表面浓度Cs与Si/SiO2界面杂质浓度CI之比达到一定数值； SiO2膜的最小厚度：,不同温度下掩蔽P、B所需氧化层厚度与扩散时间关系图,4.1.5二氧化硅的掩蔽作用,4.2硅的热氧化,热氧化制备SiO2工艺就是在高温和氧化物质（氧气或者水汽）存在条件下，在清洁的硅片表面上生长出所需厚度的二氧化硅。 热氧化是在Si/SiO2界面进行，通过扩散和化学反应实现。O2或H2O，在生成的二氧化硅内扩散，到达Si/SiO2界面后再与Si反应， Si + O2 SiO2 Si + H2O SiO2+H2 硅被消耗，所以硅片变薄，氧化层增厚。 生

6、长1m厚SiO2，约消耗0.44m 厚的硅。,4.2.1热氧化工艺,热氧化的设备主要有：水平式(6英寸以下的硅片)和直立式(8英寸以上的硅片)两种。 高温氧化炉由四部分组成：炉体、加热控温系统、石英炉管、气体控制系统。 注意：在硅片进出氧化区域的过程中，要注意硅片上温度的变化不能太大，否则硅片会产生扭曲，引起很大的内应力。,高温氧化炉结构（水平式）,按所用氧化气氛分为三种： 干氧氧化：干燥纯净的氧气。氧化膜致密性最好，针孔密度小，薄膜表面干燥，适合光刻，但是生长速率最慢； 水汽氧化：高纯水蒸气或氢气与氧气。氧化速度快；但氧化质量较差，结构疏松，薄膜致密性最差，针孔密度最大；表面是硅烷醇，易吸附水，表面潮湿，光刻难，易浮胶。 湿氧氧化：氧气携带水蒸气。湿氧氧化兼有干氧氧化和水汽氧化两种氧化作用，氧化速率和氧化层质量介于两者之间。,4.2.1热氧化工艺,三种热生长方法及SiO2薄膜特性的比较,4.2.1热氧化工艺,实际热氧化工艺多采用干、湿氧化交替的方法进行。 目的：为了获得表面致密、针孔密度小、表面干燥、适合光刻的氧化膜，同时提高了氧化速率，缩短了氧化时间。,不同氧化工艺制作的SiO2的

7、主要物理性质,4.2.1热氧化工艺,4.2.2 热氧化机理,在热氧化的过程中，氧化反应将在SiO2-Si界面处进行，而不发生在SiO2层的外表层； 热氧化是通过扩散与化学反应来完成的，氧化反应是由硅片表面向硅片纵深依次进行的，硅被消耗，所以硅片变薄，氧化层增厚。,生长厚度为x的二氧化硅层要消耗掉硅的厚度是多少？硅的分子量29g/mol，硅密度为2.3g/cm3；SiO2的分子量为60g/mol，硅密度为2.2g/cm3。,解：1mol硅的体积：,1mol SiO2的体积：,1mol 硅转换成1mol二氧化硅，则：,4.2.2 热氧化机理,4.2.3硅的DealGrove热氧化模型,DealGrove模型（迪尔格罗夫模型） （线性抛物线模型，linear-parabolic model) 可以用固体理论解释的一维平面生长氧化硅的模型。 适用范围： 氧化温度7001300 oC； 局部压强0.125个大气压； 氧化层厚度为202000nm的水汽和干法氧化；,4.2.3硅的DealGrove热氧化模型,热氧化动力学（迪尔-格罗夫模型） （1）氧化剂输运：固相硅表面存在一个气相附面层，气相氧化

8、剂在固相硅片衬底与主气流区之间存在一个浓度差异。氧化剂从气体内部以扩散的形式穿过附面层运动到气体/SiO2界面，气体输运流密度用F1表示F1=hg(Cg-Cs) ，hg气相质量输运系数。 （2）固相扩散：氧化剂以扩散的形式穿过SiO2界面层，到达Si/SiO2界面。,4.2.3硅的DealGrove热氧化模型,流量（扩散流密度）：单位时间内流过单位面积的杂质原子数量。,（3）化学反应：氧化剂通过Si/SiO2界面处与Si反应，生成新的SiO2，反应速率取决于化学反应动力学，氧化剂的扩散流密度F3为 ks为氧化剂与Si反应的化学反应常数。 （4）反应副产物离开界面：发生化学反应的副产物（H2等）扩散出氧化层，并向主气流区转移。 热氧化是在氧化剂气氛下进行，在准平衡态稳定生长条件下，氧化剂流密度不变，： F1=F2=F3,4.2.3硅的DealGrove热氧化模型,求解,C*SiO2中的氧化剂浓度，应与主气流区中氧化剂分压成正比， H亨利常数 h气相质量输运系数 ks化学反应常数,4.2.3硅的DealGrove热氧化模型,4.2.4 热氧化生长速率,氧化层生长速率可为界面流量除以单位体积

9、SiO2的氧分子数,解为,反应控制： DSiO2很大时， ks 0， Ci=Co= C */（1+ks/h），氧化剂堆积在Si/SiO2界面。 扩散控制：DSiO2很小时， Ci 0， Co C *，氧化剂堆积在SiO2表面。,4.2.4 热氧化生长速率,两种极限情况适用于： 氧化时间很短（t0），二次项可以忽略，反应控制阶段: 氧化时间长（ t），一次想可以忽略，扩散控制阶段： B/A为线性率常数，B为抛物线率常数。 两种极端情况：线性近似，抛物线近似。,氧化层的生长包括两个阶段： 硅与氧直接反应的化学反应过程： 氧化时间较短，SiO2层厚度较薄时，氧化剂在SiO2 中的扩散系数足够大，此时氧化速率由氧化剂在中的氧分子浓度及氧化反应常数ks主导，SiO2层厚度随时间线性增加，即反应控制情况。 氧通过氧化层到达硅-二氧化硅界面的扩散过程 氧化时间较长，SiO2层厚度较厚时，氧化剂在SiO2内的扩散常数相对变低，Si-SiO2界面氧分子浓度将减小，此时的氧化速率将由氧化剂在SiO2中的扩散速率主导，SiO2层厚度随时间呈抛物线式增加，即扩散控制情况。,4.2.4 热氧化生长速率,解：由氧化厚度与时间的函数：,从上面计算可知d0=0.196um, 则：,最终希望的厚度为x=d0+0.1=0.296um，则生长时间为：,一块硅样品在1200的条件下干氧氧化1小时，问：生长的氧化层厚度？若在1200 的条件下再采用湿氧氧化多生长0.1um的氧化层，需要多少时间？(已知1200下干氧氧化速率常数A=0.04um, B=0.045um2/h, =0.027h; 相同温度下湿氧氧化速率常数为A=0.05um. B=0.72um2/h, =0h),4.2.4 热氧化生长速率,4.2.5影响氧化速率的各种因素,实测值 在两种极限情况下：长时间氧化或氧化时间很短，实测值和计算值吻合。,温度 影响很大， H，h，D，ks都与温度有关。 气体分压 提高反应器内氧气或水汽的分压能提高线性氧化速率。有高压氧化和低压氧化技术。 硅晶向 对氧化速率略有不同，（111）晶向速率最快，（100）晶向速率最慢。 掺杂 掺杂浓度越高氧化速率越快，将此现象称

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